Исследование влияния магнитного поля термоэлектрического тока на сварку разнородных сталей

Внедрение: 2019  г.

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) разнородных материалов существенное влияние на качество получаемых сварных соединений оказывают термоэлектрические явления, заключающиеся в возникновении термоэдс и термоэлектрических токов в стыке соединяемых деталей. Отклонение пучка, вызываемое магнитным полем термоэлектрических токов, может стать причиной образования дефектов типа непроваров в корне шва и, как следствие, к браку. 

Цель работы ([1], [2]) – разработка методик экспериментальной верификации численных моделей отклонения электронного луча при ЭЛС разнородных материалов и исследование влияния магнитного поля термоэлектрических токов на формирование сварных соединений разнородных сталей толщиной 60 мм. 

На рисунке 1 представлена предлагаемая авторами схема измерения магнитного поля над свариваемыми образцами.

Рисунок 1. Схема измерения индукции магнитного поля при ЭЛС разнородных материалов: 1 и 2 – сварные образцы; 3 и 4 – датчики индукции магнитного поля над образцами; 5 – датчик индукции магнитного поля в корне шва; 6 – ось электронного пучка; 7 – электронный пучок в канале проникновения; 8 – парогазовый канал; 9 – расплавленная ванна; 10 – прихваточные швы.

Для измерения индукции магнитного поля при ЭЛС авторами разработана экспериментальная установка, включающая в себя Установку измерительную LTR с модулем АЦП LTR11, блок синхронизации сигналов с нормализаторами сигналов DSCA40‑03, программный комплекс ACTest Pro.

Стенд был оборудован датчиками Холла магнитного поля AD22151 (Analog Devices). Датчики 1 и 2 (рисунок 1).  

Сварные образцы помещали в вакуумную камеру по разработанной схеме (рисунок 1). Датчики крепились непосредственно на свариваемых образцах с помощью специальных парамагнитных зажимов (рисунок 2). Расположение датчиков фиксировалось для каждого эксперимента. Отклонение электронного пучка оценивалось по прожигам и полировке образцов на макроуровне.

Рисунок 2. Расположение сварных образцов и датчиков Холла: а) общий вид; b) датчик корня шва; c) датчики поверхности образца; d) образцы после ЭЛС. 1 и 2 – сварные образцы; 3 и 4 – зажимы для датчиков Холла; 5 и 6 – датчики Холла на поверхности образца; 7 – приварной датчик Холла корневая; 8 – сварное соединение; 9 – электронно-лучевая пушка.

Измеренная индукция магнитного поля для пары 12Cr18Ni10Ti + 20Cr13 представлена на рисунке 3. 

Рисунок 3. Индукция магнитного поля от термоэлектрических токов во время ЭЛС и отклонения электронного луча в корне шва сталей 12Cr18Ni10Ti и 20Cr13.

Электронный пучок в корне шва отклоняется в сторону 09Mn2Si (рисунок 4) и носит неоднородный характер.

Рисунок 4. Прогиб электронного пучка в корне шва сталей 12Cr18Ni10Ti и 09Mn2Si.

Отклонение электронного луча в корне шва (рисунок 5) также неоднородно.

Рисунок 5. Индукция магнитного поля от термоэлектрических токов во время ЭЛС и отклонение электронного луча в корне шва сталей 09Mn2Si и 20Cr13.

На рисунке 6 представлены поперечные макрошлифы и траектории электронного пучка.

Рисунок 6. Макроразмеры и форма прожогов в сварных швах: а) на расстоянии 25 мм от кромки сварных образцов; b) на расстоянии 95 мм от кромки свариваемых образцов.

Сравнение расчетных и экспериментальных траекторий электронного пучка, полученных из анализа по макрошлифам сварных соединений, показало, что в целом расчетная модель траектории адекватно отражает процесс отклонения пучка: в обоих случаях отклонение происходило на материал с более положительным потенциалом интегральной термоэдс. Величина расхождения расчетного и экспериментального отклонения пучка в корне шва для 5‑ти проведенных экспериментов составляла не более 10 %.

Работа выполнена в Национальном исследовательском университете «Московский энергетический институт» при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 18‑19‑00652).

Источники:

1. A.P. Sliva et al. 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 681 012040 – doi:10.1088/1757-899X/681/1/012040.
2. Слива А.П., Гончаров А.Л., Терентьев Е.В., Харитонов И.А., Драгунов В.К. Экспериментальные исследования влияния магнитного поля термоэлектрических токов на формирование сварных соединений разнородных сталей толщиной 60 мм // Сварка в России‑2019: современное состояние и перспективы: тезисы докладов Международной конференции, посвященной 100‑летию со дня рождения Б.Е. Патона. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. – Томск, изд-во: ООО «СТТ». – 2019. – С. 251‑252.

Разработчик: Слива А.П., Гончаров А.Л., Терентьев Е.В., Харитонов И.А., Драгунов В.К. (Национальный исследовательский университет «МЭИ»)